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Química

光応答性液晶の構造ダイナミクスを観察する手法

Published: May 29, 2018
doi:
10.3791/57612
, , , , , ,
1Graduate School of Natural Science and Technology,Okayama University, 2Graduate School of Science,Kyoto University, 3Center for Computational Sciences,University of Tsukuba, 4Graduate School of Science,Kyushu University

Summary

ここでは、提案する、柱状の光励起分子中の局所構造の変形の観察を可能にする時間分解赤外振動分光法、電子回折の差分検出解析のプロトコル液晶、原子の視点を与える構造とこの光活性物質の動態との関係。

Abstract

我々 はこの記事で赤外線 (IR) を時間分解振動分光法、時間分解電子回折を用いた液晶 (LC) の段階で分子の測定実験を紹介します。液晶相転移、固体・液体の段階の間に存在する問題の重要な状態、有機エレクトロニクスのように自然のシステムと同様に共通。液晶配向を命じたが、緩く詰められて、したがって、内部構造と LCs の分子の配向は外部からの刺激によって変更できます。時間分解回折技術を明らかにしたピコ秒スケール単結晶の分子動力学と多結晶体、構造体のパッキングの直接観察、ソフト材料の超高速ダイナミクスがぼやけてによって妨げられています。回折パターン。ここでは、時間分解赤外振動分光と光のコア部分をベアリング カラムナー液晶材料の超高速スナップショットを取得する電子回折法を報告します。差動検出解析の組み合わせの時間分解赤外振動分光、電子線回折構造とソフトマテリアルの光誘起ダイナミクスを特徴付けるための強力なツールです。

Introduction

液晶 (LCs) は、多彩な機能を有し、科学的および技術アプリケーション1,2,3,4,5,6で広く使用されています。LCs の動作は、分子の高移動度に関しても配向順序に帰することができます。液晶材料の分子構造は通常高分子コアと液晶分子の高い機動性を確保する柔軟な長い炭素鎖によって特徴付けられます。外部刺激7,8,9,10、11,12,13,14,15、ライト、電界、温度変化、または機械的圧力で小さな内およびその機能的な動作につながるシステムの並べ替え LC 分子原因抜本的な構造の分子間運動など。液晶材料の機能を理解するには、液晶相の分子スケール構造を判断し、有機分子のコンフォメーションとパッキンの変形のキーの動きを識別することが重要です。

X 線回折 (XRD) は LC 材料16,17,18の構造を決定するための強力なツールとして一般的です。ただし、機能刺激応答性コアから発信された回折パターンは多くの場合、長い炭素鎖から広範なハロー パターンによって隠されます。この問題への効果的なソリューションは、光励起を用いた分子動力学の直接観察を可能にする時間分解回折によって提供されます。この手法は、光励起後で得た回折パターンの違いを使用して光の芳香環の構造に関する情報を抽出します。これらの違いは、バック グラウンド ノイズを除去して興味の構造の変化を直接観測する手段を提供します。差分の回折パターンの解析では、単独で、それにより非光応答性の炭素鎖から有害な回折を除く光活性部位から変調信号を明らかにします。羽田雅ら19はこの差分回折分析方法の説明です。

時間分解回折測定材料20,21,22,23,の相転移時に発生する原子の再配列構造情報を提供します。24,25,26,27,28,29化学反応と分子30,31,32,33,34の間で。念頭に置いてこれらの用途で顕著な進展した超高輝度・超短パルス x 線35,36 ・電子37,38,39の開発に,40ソース。しかし、時間分解回折のみで適用されているシンプルな孤立した分子またはするまたはポリ-結晶、高無機格子を発注または有機分子構造を提供するよく解決された回折パターンを生成情報。対照的に、その少ない秩序相のためより複雑なソフトマテリアルの超高速構造解析が妨げられています。本研究で我々 は時間分解電子回折と同様過渡吸収分光およびこれを用いた光の LC 材料の構造ダイナミクスを特徴付ける時間分解赤外 (IR) 振動分光法の使用方法を示す回折抽出方法論19。

Protocol

1.Time 分解赤外振動分光法 サンプル準備 解決方法: は、シクロオクタテトラエンの π 拡張 (π COT) 分子を適切な濃度 (1 モル/L) でジクロロ メタンに溶解します。 液晶相: 100 ° C の温度でホット プレートを用いたフッ化カルシウム (CaF2) 基板上 π ベビーベッド粉末を溶かす室温でサンプルを冷却します。注: 我々 は中赤外範囲の透明マテリアル (Ca…

Representative Results

明確に定義された円柱状の積層構造を形成するため、中央の八員環ベビーベッド リングの表示が予想されますので LC 分子の光コアユニットとして鞍型 π ベビーベッド スケルトン43,44しました、光誘起構造変化の励起状態の芳香族性19,45により平らな形に変更します。この材料の?…

Discussion

時間分解電子回折測定中のプロセスの重要なステップは、高電圧を維持する (75 keV) 光電陰極と陽極間の距離から電流揺らぎなしプレートは ~ 10 mm のみ。0.1 μ A の範囲を超える変動前に、または実験中、増加最大 90 加速電圧に放電し、再度 75 に設定 keV keV。このコンディショニング過程は、0.1 μ A の範囲の電流が変動するまでに行う必要があります。十分な絶縁耐力を持つ電子源の適切な設?…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

時間分解赤外振動分光測定の東京工科大学の博士田中と原正憲教授と x 線回折測定のため名古屋大学松尾和人博士に感謝します名古屋大学、キール大学教授 r. Herges 教授 r. j. D. ミラー構造のマックス ・ プランク研究所と物質ダイナミクス貴重な議論のために山口悟先生もありがちましょう。

この作品は日本科学技術 (JST) によってをさきがけ「分子技術と新機能創出」プロジェクトの資金調達のためサポートされて (JPMJPR13KD、JPMJPR12K5、および JPMJPR16P6 の付与数) と「光エネルギーの化学的変換」。この作品は、日本学術振興会助成番号 JP15H02103、JP17K17893、JP15H05482、JP17H05258、JP26107004、および JP17H06375 によっても部分的にサポートされます。

Materials

Chirped pulse amplifier Spectra Physics Inc. Spitfire ACE For time-resolved IR vibration spectroscopy
Chirped pulse amplifier  Spectra Physics Inc. Spitfire XP For time-resolved electron diffractometry
Femtosecond laser Spectra Physics Inc. Tsunami For time-resolved IR vibration spectroscopy
Femtosecond laser Spectra Physics Inc. Tsunami For time-resolved electron diffractometry
Optical parametric amplifier Light Conversion Ltd. TOPAS prime
64-channel mercury cadmium tellurium IR detector array Infrared Systems Development Corporation FPAS-6416-D
FT-IR spectrometer Shimadzu Corporation IR Prestige-21
High voltage supply Matsusada precision HER-100N0.1
Rotary pump Edwards RV12
Molecular turbo pumps Agilent Technologies Japan, Ltd. Twis Torr 304FS
Vacuum gauges Pfeiffer vacuum systems gmbh PKR251 For ICF70 flange
Vacuum monitors Pfeiffer vacuum systems gmbh TPG261
Fiber coupled CCD camera Andor Technology Ltd. iKon-L HF
BaF2 and CaF2 substrates Pier optics Thickness 3 mm
AgGaS2 crystal Phototechnica Corporation Custom-order
BBO crystals Tokyo Instruments, Inc. SHG θ=29.2 deg
THG θ=44.3 deg
calcite crystals Tokyo Instruments, Inc. Thickness 1mm
Optical mirrors Thorlabs PF10-03-F01
PF10-03-M01
UM10-45A		 Al coat mirrors
Au coat mirrors
Ultrafast mirrors
Optical mirrors HIKARI,Inc. Broadband mirrors
Dichroic mirrors HIKARI,Inc. Custom-order
Reflection: 266 nm
Transmission: 400, 800 nm
Optical chopper Newport Corporation 3501 optical chopper
Optical shutters Thorlabs Inc. SH05/M
SC10
Optical shutters SURUGA SEIKI CO.,LTD. F116-1
Beam splitters Thorlabs Inc. BSS11R
Fused-silica lenses Thorlabs Inc. LA4663
LA4184
BaF2 lens Thorlabs Inc. LA0606-E
Polarized mirrors Sigmakoki Co.,Ltd Custom-order
Designed for 800 nm
Reflection: s-polarized light
Transmission : p-polarized light
Half waveplate Thorlabs Inc. WPH05M-808
Mirror mounts Thorlabs Inc. POLARIS-K1
KM100		 Kinematic mirror mounts
Mirror mounts Sigmakoki Co.,Ltd MHAN-30M
MHAN-30S		 Gimbal mirror mounts
Mirror mounts Newport Corporation ACG-3K-NL Gimbal mirror mounts
Variable ND filters Thorlabs Inc. NDC-25C-2M
Beam splitter mounts Thorlabs Inc. KM100S
Lens mounts Thorlabs Inc. LMR1/M
Rotational mounts Thorlabs Inc. RSP1/M
Retroreflector Edmund Optics 63.5MM X 30" EN-AL 
spectrometers ocean photonics USB-4000
Power meter Ophir 30A-SH Used for intensity monitor of CPA
Power meter Thorlabs Inc. S120VC
PM100USB		 Used for intensity measurements of pump pulse
Photodiodes Thorlabs Inc. DET36A/M
DET25K/M
DC power supply TEXIO PW18-1.8AQ Used for magnetic lens
Magnetic lens Nissei ETC Co.,Ltd Custom-order
Stages Newport Corporation M-MVN80V6
LTAHLPPV6		 Used for magnetic lens
Stage controller Newport Corporation SMC100
Stages  Sigmakoki Co.,Ltd SGSP20-35(X)
SGSP20-85(X)		 Used for sample position
Stages  Sigmakoki Co.,Ltd SGSP26-200(X)
OSMS26-300(X)		 Used for delay time generator
Stage controller Sigmakoki Co.,Ltd SHOT-304GS
Picoammeter Laboratory built
spin coater MIKASA Co.,Ltd 1H-D7
hot plate IKA®  C-MAG HP7
SiN wafer Silson Ltd Custom-order
KOH aqueous solution (50%) Hiroshima Wako Co.,Ltd. 168-20455
Chloroform Hiroshima Wako Co.,Ltd. 038-18495
Dichloromethane Hiroshima Wako Co.,Ltd. 132-02456
Personal computers for the controlling programs Epson Corporate Endeavor MR7300E-L 32-bit operation system
Program for the control the equipment National Instruments Corporation Labview2016
Program for the data analysis The MathWorks, Inc. Matlab2015b
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Referências

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Keywords: Photoresponsive Liquid CrystalsStructural DynamicsTime-resolved IR Vibrational SpectroscopyDifferential IR SpectrumDifferential Electron DiffractionPi-COTLiquid Crystal Phase SampleTitanium-sapphire LaserChirped Pulse AmplifierMercury-cadmium-tellurium IR DetectorTransient SignalFlow CellMotorized StageLaser-induced Damage
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Hada, M., Saito, S., Sato, R., Miyata, K., Hayashi, Y., Shigeta, Y., Onda, K. Novel Techniques for Observing Structural Dynamics of Photoresponsive Liquid Crystals. J. Vis. Exp. (135), e57612, doi:10.3791/57612 (2018).
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